CC BY
214
УДК 621.577
ИССЛЕДОВАНИЕ ВПРЫСКА ВОДЫ И ПОДВОДА ПАРА В ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ ГТЭ-65
А.А. ШИШИН*, А.В. ТИТОВ*, Б.М. ОСИПОВ*, В.В. КРИВОНОСОВА**
*Казанский государственный энергетический университет ** ОАО «Силовые машины» (ЛМЗ)
Рассмотрены вопросы повышения эффективности газотурбинной установки (ГТУ) с подводом воды и пара в проточную часть. Представлены результаты расчетного исследования увеличения КПД и номинальной мощности газотурбинной энергетической установки ГТЭ-65 с впрыском воды и подводом пара в проточную часть.
Ключевые слова: парогазовая установка, газотурбинная установка, впрыск воды и подвод пара, математическая модель.
Одним из перспективных направлений развития современной энергетики является применение на тепловых электростанциях надежных и экологически чистых парогазовых установок (ПГУ - STIG), с впрыском воды и подводом пара в воздушный и/или газовый тракт энергетической газотурбинной установки (ГТУ). Такие установки характеризуются относительной простотой технологического процесса и высокими показателями экономичности [1].
Варианты тепловых схем ПГУ-STIG c отводом парогазовой смеси в атмосферу (открытая схема) показаны на рис. 1.
Том.мши
Рис. 1. Тепловые схемы ПГУ - БТЮ: В - воздух; ОК - осевой компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; КУ - котел-утилизатор; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; ПЕ - пароперегреватель; ПП - промежуточный пароперегреватель; И - испаритель; ЭК - экономайзер; ХВО - химводоочистка; УхГ - уходящие газы; Н - насос © А.А. Шишин, А. В. Титов, Б.М. Осипов, В.В. Кривоносова Проблемы энергетики, 2012, № 9-10
В летнее время года мощность газовых турбин резко падает с повышением температуры воздуха. Форсировать ГТУ можно либо охлаждением воздуха в тракте компрессора, либо вводом в расширительную часть тракта ГТУ дополнительного рабочего тела - воды или водяного пара. Впрыск воды во входное устройство (ВУ) ГТУ позволит снизить температуру воздуха на входе в компрессор, уменьшая, тем самым, работу компрессора на сжатие, и повысить мощность газовой турбины, что особенно актуально в жаркое время года, когда проблематично покрытие пиковой потребности в электроэнергии.
В современных газотурбинных установках подвод пара непосредственно в двигатель преследует две цели:
- повышение мощности и КПД установки («энергетический впрыск»);
- снижение выбросов оксида азота NOx («экологический впрыск»).
В результате смешения газа и пара в потоке объем рабочего тела, проходящего через турбину, увеличивается при неизменной мощности воздушного компрессора, что приводит к значительному повышению мощности турбины.
Использование водяного пара в качестве охлаждающего агента высокотемпературных элементов проточной части ГТУ (вместо обычно применяемого воздуха) позволяет увеличить эффективность охлаждения и избежать больших затрат мощности на сжатие охлаждающего воздуха.
Ведущие зарубежные фирмы в своих стационарных газотурбинных установках широко используют ввод воды и пара для увеличения мощности и снижения оксидов азота в уходящих газах.
Один из вариантов развития газотурбинной технологии с впрыском воды подводом пара осуществлен в системе SPRINT, предусматривающей промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора ГТУ в процессе сжатия путем инжекции (впрыска) воды - мельчайших капель размером менее 25 мк. Понижение температуры воздуха при этом уменьшает работу сжатия. В ГТУ типа LM2500 + (General Electric) использование этой технологии увеличивает массовый расход воздуха через компрессор на 23%, повышает электрическую мощность на 28%, а КПД производства электроэнергии - до 40 % (показатели «брутто»).
Фирма Siemens применила в компрессорах своих ГТУ так называемое влажное сжатие: водная аэрозоль направляется на вход компрессора для увеличения расхода рабочего тела и снижения удельной работы сжатия воздуха. Опресненная вода фильтруется и направляется в водяной коллектор. Группа регулирующих электрических клапанов подает эту воду через форсунки во входной воздуховод компрессора. При сжатии смеси воздуха и воды последняя испаряется, охлаждая воздух в первых ступенях компрессора. Такое техническое решение по данным фирмы снижает расход топлива в ГТУ на 1,5 %, а генерацию оксидов азота на 20 - 40 % [1].
Экспериментальные исследования впрыска воды в газовый тракт после компрессора выполнялись в нашей стране на установках, работающих на газоперекачивающих станциях. В стационарных энергических ГТУ применение впрыска пара в камеру сгорания (КС) впервые было осуществлено на ГТУ типа ГТ-IOO (ПО ЛМЗ) на Краснодарской ТЭЦ и на ГРЭС №3 ОАО «Мосэнерго» [7].
В качестве объекта исследования впрыска воды и подвода пара была выбрана газотурбинная установка ГТЭ-65 разработки ОАО «Силовые машины».
Современная стационарная газотурбинная установка ГТЭ-65 предназначена для привода электрического генератора при несении базовой, полупиковой и пиковой нагрузок как автономно, так и в составе парогазового цикла. Установка выполнена по
простой тепловой схеме в виде одновального двухопорного турбокомпрессора с частотой вращения ротора 5441 об/мин и приводом электрогенератора через редуктор.
Газотурбинная установка ГТЭ-65 имеет широкую область применения как при техническом перевооружении существующих энергетических объектов, так и при строительстве новых. Наиболее актуально применение ГТЭ-65 на объектах, имеющих существенные габаритные ограничения на размещаемое оборудование. ГТЭ-65 может быть применена в различных типах ПГУ как для модернизации старых, так и для строительства новых электростанций [3].
Исследование впрыска воды и подвода пара в различные сечения проточной части установки производилось с помощью программного комплекса «ГРАД ЭУ» [5] на базе математической модели ГТЭ-65 с учетом всех ее технических характеристик и параметров.
Математическая модель составляется на основании конструктивной схемы установки ГТЭ-65. В соответствии с ней вычерчивается функциональная схема (рис. 2), которая включает в себя: входное устройство (ВхУ), компрессор (К), агрегаты (А), переходной канал (ПК), камеру сгорания (КС), переходной канал (ПК), турбину (Т), выходной патрубок (ВП).
Рис. 2. Функциональная схема ГТЭ-65
В функциональной схеме обозначают передачу информации между узлами по газу, валу, отборам и подводам рабочего тела. Необходимо учесть возможные места отборов и подводов воздуха, впрыска воды и пара в различные сечения проточной части двигателя, баланс мощностей, наличие или отсутствие характеристик отдельных узлов [4].
С помощью исходных данных составляется система уравнений, на решении которых основан вычислительный процесс данного комплекса.
Так при расчете установки ГТЭ-65 в исходном варианте без впрыска система уравнений будет состоять из следующих параметров:
Х {^в, ^отб, пт турб.' ^прив.турб^ ДРвых;
Х {^в, ^отб, пт турб.' ^прив.турб^ Д^гтурб;
Х {^в, ^отб, Пт турб.' ^прив.турб^ Д^вкомпр; (1)
Х {^в, ^отб, Пт турб.' ^прив.турб^ Д^Гвых;
Х{&в, ^отб, пт турб., Кп, ^прив.турб^ ДТСА турб,
где Ов - расход воздуха на входе в двигатель; ТГкс - температура в камере сгорания; Сприв - приведенный расход через турбину, характеризующий ее пропускную способность; Кп - параметр, характеризующий положение на напорной ветке компрессора; ЛР^х - равенство статических давлений на входе и на выходе из двигателя; ЛОвк - рассогласование между величиной расхода воздуха, подошедшего к входному сечению компрессора б\ и рассчитанного по характеристике - б\х; ЛОгт - невязка между подошедшим расходом газа - б\ и определенным по пропускной способности б1Р; Лбгпк -невязка по заданному расходу газа через выходное сечение.
Определены основные параметры газотурбинной установки ГТЭ-65: Левв=63,35 МВт, Пэф=33,757%.
При впрыске воды и пара в проточную часть ГТЭ-65 система уравнений будет выглядеть следующим образом:
/ботб, -^агр, Кп бприв.турб^ ЛКу компр;
Х (бв, ботб, -^агр, Кп бприв.турб^ ЛРвых;
Х(бв, ботб, -^агр, Кп бприв.турб^ ЛТСА турб; (2)
Х(бв, ботб, -^агр, Кп бприв.турб^ ЛбГтурб;
Х(бв, ботб, -^агр, Кп бприв.турб^ ЛбВкомпр.
где Ов - расход воздуха на входе в двигатель; Оотб - количество отбираемого или подводимого воздуха (газа);^^ - потребная мощность для привода агрегатов; бприв.турб - приведенный расход через турбину, характеризующий ее пропускную способность; Кп - параметр, характеризующий положение на напорной ветке компрессора; ЛКУ компр - коэффициент устойчивости компрессора; ЛРвых - равенство статических давлений на входе и на выходе из двигателя; ЛТСА турб - температура газов на входе в турбину; ЛбВкомпр - рассогласование между величиной расхода воздуха, подошедшего к входному сечению компрессора б\ и рассчитанного по характеристики б\х; ЛбГтурб -невязка между подошедшим расходом газа б\ и определенным по пропускной способности
При впрыске воды с температурой 15°С на входе в компрессор (перед ВНА) максимальное количество воды, которое теоретически возможно испарить в компрессоре до входа в камеру сгорания, составляет 7,91 кг/с.
-^воды
= (бвСрв (40з-?кип)/(Ср воды (/кип - ?вод)+г), (3)
где Ов - расход воздуха на входе в двигатель, кг; Срв - теплоемкость воздуха, КДж/кгК; ?воз - температура воздуха, "С; ?кип - температура кипения воды, "С; Срводы - теплоемкость воды, "С; ?воды = 15 "С - температура впрыскиваемой воды; г - теплота парообразования, КДж/кг.
Пар подводится в камеру сгорания и перед турбиной. Параметры пара: Р=1,5МПа, /=200"С. Максимальное количество подвода пара определяется из условия пропускной способности газовой турбины.
Результаты расчетов в виде зависимостей КПД, мощности ГТУ, часового расхода топлива от количества впрыскиваемого вещества в различные сечения проточной части установки показаны на рис. 3 - 6.
N МВт 100
90
80
70
60
4 о *
—Л
г с
1 Г г г L f- с г с Ь- с ь- с ь- С г г
КПД, % 40
39 38 37 36 35 34 33 32
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6
О _ Мощность на выводном валу " Потребная мощность компрессора —А— Эффективный КПД
Рис.3. Изменение параметров ГТЭ-65 при впрыске воды во входное устройство
N МВт
90 85 80 75 70 65 60
п
-г -С i- о
J^J
с » "
40 КПД, %
30
6
8
10
12
14
16
18
—С— Мощность на выводном валу —□— Эффективный КПД
Рис.4. Изменение параметров ГТЭ-65 при подводе пара в зону горения с поддержанием температуры
газа перед турбиной, равной 1553,15К
Тг, 1С
1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500
=0-
7 9 11
- Температура газа в зоне горения "
13 15 17
■ Температура газов на входе в 1СА
5
<5впр, кг/с
Рис.5. Изменение температуры газа в камере сгорания ГТЭ-65, с подводом пара в зону горения, при постоянной температуре газа перед турбиной © Проблемы энергетики, 2012, № 9-10
N, МВт 74 72 70 68 66 64 62 60
- С >- т —
О Ф 1 —
—
Li
КПД, % 40
36 35 34
6 8 10 12 14 16 18 20
Овпр, кг/с
—С^ Мощность на выводном валу —□— Эффективный КПД
Рис.6. Изменение параметров ГТЭ-65 при подводе пара перед турбиной
Анализ результатов проведенных исследований показывает:
1. Максимально возможный впрыск воды в количестве 7,91 кг/с (теоретически возможно испарить в компрессоре до входа в камеру сгорания) с температурой 288,15 К (15 °С) на входе в компрессор низкого давления позволяет повысить эффективный КПД на 3,56 % по сравнению с базовым двигателем. Потребная мощность на привод компрессора с увеличением впрыска снижается, мощность установки увеличивается до 96,13 МВт (см. рис. 4).
2. Подвод пара в зону горения, при условии поддержания температуры 1553К на входе в турбину, ведет к повышению мощности ГТЭ-65 до 79,8 МВт, эффективный КПД увеличивается до 36,97%, при этом геометрия проточной части турбины остается неизменной (см. рис. 5,6).
3. При подводе пара перед турбиной эффективный КПД установки увеличивается до 36,79%, мощность увеличивается до 69,79МВт. Геометрия проточной части турбины остается базовой (см. рис.7).
Summary
Questions of increase of efficiency of gas-turbine installation (GTU) with a supply of water and pair in a flowing part are considered. Presents the results of current research to increase efficiency and nominal power of gas turbine power plant of GTE-65 with injection of water and the supply of steam in the flow part.
Keywords: combined cycle gas turbine, gas turbine power plant, water injection and steam supply, the mathematical model.
Литература
1. Фаворский О.Н., Цанев С.В., Карташев Д.В. Технологические схемы и показатели экономичности ПГУ с впрыском пара в газовый тракт // Теплоэнергетика. 2005. №4.
2. Голованов А.В., Зейгарник Ю.А., Поляков А.Ф. Сравнительная эффективность парового и воздушного охлаждения лопаток газовых турбин // Теплоэнергетика. 1996. №10.
3. Лебедев А. С., Варламов И. С., Росляков М. В. Энергетическая газотурбинная установка среднего класса мощности ГТЭ-65 // Электрические станции. 2007. №1.
4. Результаты моделирования тепловых схем ГТУ с помощью программы ГРАД Б.М. Осипов, А.В. Титов, В.В. Кривоносова, А.П. Петров. Казанский Государственный Энергетический Университет, Россия ОАО «Силовые машины» Филиал «Ленинградский Металлический завод», Россия.
5. CAD/CAM центр - программный комплекс «ГРАД». Руководство программиста. Казань:
Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева (КАИ) 1998 г.
6. Осипов Б.М., Титов А.В., Тунаков А.П. и др. Автоматизированное проектирование двигателей: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. 166 с.
7. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Цанева. М.: Издательство МЭИ, 2002. 584 с.
Поступила в редакцию 16 июня 2012 г.
Титов Александр Вячеславович - канд. техн. наук, доцент, профессор, зав. кафедрой «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 2141134. E-mail: [email protected].
Осипов Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 2845107. E-mail: [email protected].
Шишин Александр Анатольевич - аспирант кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (927) 0365435. E-mail: [email protected].
Кривоносова Виктория Владимировна - начальник группы теплогидравлических и газодинамических расчетов Специального конструкторского бюро газовых турбин ОАО "Силовые машины" «Ленинградский металлический завод» в Санкт-Петербурге. E-mail:[email protected].
